Modultils工具源码分析之insmod篇 (1)

这系列是几年前发的。现在回过头看，还是蛮有意思的。把它们一起放上来。

 

Modultils工具源码分析之insmod篇

 

作者：吴晖

2005年12月29日

前言

Linux的前身UNIX是一个巨内核操作系统，这样的系统运行效率高，但是内核占据的资源比较多，而且更要命的是系统在启动时必须把所有的设备驱动都加载，不管有没有用。另外，每添加或修改驱动都要重新编译内核。在各种设备层出不穷，日新月异的今天，这有点不合时宜了。

作为另一种解决方案，卡奈基·梅隆大学开发了UNIX的微内核变种mach。这个操作系统表现出了许多先进的特性，拥有传统UNIX所不具备的性能。但是微内核把许多传统上属于内核的功能，象文件系统丢到了用户空间，使其只能通过IPC与内核交互，一定程度上影响了效率。

“不站左、不站右、站中间”，Linux暗合中国的中庸文化，整出了可加载模块这一方案。在这方案里原来属于内核的东西还是归内核，但是象文件系统、设备驱动，这样的东西都可以做成可动态添加、卸载。需要的时候添加，不需要的时候卸载，随时保持内核最小。

粗粗一看，这有点像我们做的动态库，但是又不一样。动态库可以导出一系列变量、函数供外部使用，但它自己不能引用库以外的变量、函数。显然，文件系统、设备驱动不可能不使用内核中的函数。内核倒更像动态库，它不会使用模块导出的变量、函数（因为无法预测），相反它会导出一堆变量、函数给模块用。可关键是，内核必须是可执行程序，像动态库这样等着别人来调用，万万不行！

伤脑筋呵？

其实还好，既然内核有动态库这样的特性就可以了，那么事情就不是那么复杂了。而模块呢，一方面它会导出变量和函数给别的後加载的模块使用，另一方面，它要使用内核和已加载模块导出的变量和函数。毫无疑问，模块使用的文件必须是可重定位的。因此，模块使用的是elf文件格式。Elf文件的全称是Executable and Linkable Format。

Elf文件格式的可能布局如下图。

在上图中，程序头（program Header）对于.o目标文件是没有意义的（模块文件正是这样的文件），而在运行执行文件和库文件时，系统一般只理会程序头，因为程序头已经给出了足够的信息，这里的程序头就是我们平常看到的segment（进程就是以segment组织起来的，可以参考linux的binfmt_elf.c文件里elf文件加载的代码）。另外，值得注意的是，segment的内容可以与段的内容重叠（一般也会重叠），segment和段只不过是描述程序数据的不同方式。

对于.o目标文件来说，程序头一般是不存在的（因为还没完成外部符号解析及与其他目标文件的链接，无法确定进程的内存布局）。因此对于.o目标文件来说，信息都保存在段（section）中。

段根据其保存内容的不同，分为字符段、符号段、数据段、代码段、静态初始化数据段(.bss)、重定位段、注释段、Global offset table（我不知道怎么翻译贴切）段、等等。

这些段中最重要的段是符号段和重定位段。

这2个段的关系，见下图。

符号段保存了模块所有的符号，包括模块定义的，以及模块引用外部的。符号段保存的是一个个固定大小的单元。每个单元，保存着关于这个符号的信息。这些信息里面最重要的就是符号的值，这个值对于引用外部变量，是边界对齐要求（因为对于引用外部变量，变量的地址只能在链接时确定，编译时无法知道哪怕一丁点的信息），对于其他文件内定义的变量，这个值保存的是从保存它的段（注意不是保存符号信息的段）起始到符号位置的偏移，基本上就是变量的相对地址。

重定位段则保存相应符号的重定位信息、离所在段起始的偏移，重定位段中的每一单元都是对应一个符号。从重定位段出发就可以找到所有需要重定位的符号所在的段，进而找到符号的信息。然后根据重定位段给出的重定位操作信息，就可以计算、设置符号的绝对地址。

而内核为了导出符号给模块，将要导出的符号存放在__kallsyms这样一个段（模块也一样），并专门提供了个sys_query_module这样的系统调用（v2.1.x以后的版本），模块通过这个调用可以查询内核和其他已加载模块导出的符号。

不过即便已经有了这些便利，加载模块还是一个不轻松的工作（它的工作内容和链接多个.o文件相仿）。为此，出现了专门的工具，这就是modutils系列。Modutils包含好几个工具：insmod，rmmod，depmod，modprobe，lsmod，kerneld，ksyms，kallsyms。其中的insmod就是用来加载模块的，而rmmod则是卸载模块。

这里由于时间和篇幅，我们暂时只讨论insmod。其他，以后有时间，会尽量补上。选择insmod的原因，是因为它的工作和GNU的ld类似，读懂了它就能大致明白ld的原理，还有就是能了解elf文件格式。

虽然insmod的代码相当长，但是它的逻辑并不复杂。基本流程如下图。